Chapitre 3. Implémentation et calibration des contacts Schottky de source et drain
3.3 Étude de l’impact de la dispersion technologique sur les caractéristiques électriques
3.3.2 Etude de l’impact du diamètre du nanotube sur les caractéristiques électriques
Nous avons étudié l’impact de la barrière Schottky sur les caractéristiques électriques des CNTFETs dû à leur canal différent. Trois transistors (p-FET) planar avec différent
-2 -1 0 1 2 10-12 10-10 10-8 10-6 ID [A ] VG [V] meas simu
nanotube et le choix du métal drain source déterminent la hauteur de barrière Schottky, trois gammes de hauteur de barrière font l’objet de l’étude : 0 eV pour le diamètre 1,96 nm, 0,1 eV pour le diamètre 1,33 nm et 0,28 eV pour le diamètre 0,86 nm. Par ailleurs, les trois transistors ont été simulés avec les mêmes paramètres technologiques résumés dans le tableau 3.4. Ces transistors ont été polarisés avec une tension de grille de -2,5 à 2,5 V (gamme de polarisation typique) avec un pas de 25 mV et, avec deux tensions de drain égales à -50 mV et -400 mV pour obtenir les caractéristiques présentées sur la figure 3.18. La source est mise à la masse.
Paramètre Signification de paramètre Valeur et Unité
LG Longueur de grille (inter-électrode) 100 nm
εr Constante diélectrique de l’oxyde de grille 3,9 (SiO2)
tOX Epaisseur de l’oxyde de grille 10 nm
(n, m) Chiralité du nanotube de canal (25, 0) ou (17, 0)
ou (11, 0)
Metal Métal des électrodes Pd
CDE Capacité électrostatique de drain 10 aF
CSE Capacité électrostatique de source 10 aF
RD Résistance d’accès de drain 6,5 kΩ
RS Résistance d’accès de source 6,5 kΩ
RG Résistance d’accès de grille 10 Ω
VFB Potentiel de bande flatte 0 V
Table 3.4 – Liste de paramètres de la simulation pour l’étude de l’impact des différentes barrières Schottky pour la même technologie de fabrication.
-2 -1 0 1 2 10-15 10-13 10-11 10-9 10-7 10-5 ID [A] VG [V] VD=-400mV VD=-50mV (11, 0) (25, 0) (17, 0)
Figure 3.18 – Comparaison des résultats de simulation des caractéristiques ID-VG pour CNTFETs avec trois chiralités de nanotube différentes, (25, 0) en rouge, (17, 0) en bleu et (11, 0) en vert, pour deux valeurs de la polarisation VDS : -50 mV (traits discontinus) et -400 mV (traits continus).
Dans la figure 3.18, VD égale à -400 mV correspond au cas où le CNTFET est suffisamment polarisé par VDS (supérieur à la moitié de la bande interdite de CNT), tout en restant inférieur à la bande interdite correspondante. Nous observons :
- Trois tensions de seuil très différentes : -0,25 V pour la chiralité (25, 0), -0,75 V pour la chiralité (17, 0) et -1,75 V pour la chiralité (11, 0).
- Une meilleure pente sous le seuil égale à 250 mV par décade pour la chiralité (25, 0). Cette valeur augmente avec la diminution du diamètre de CNT, i.e. avec l’augmentation de la hauteur de barrière.
VD égale à -50 mV correspond au cas où le CNTFET est très faiblement polarisé par VDS. Nous observons :
- Les courants de drain passants sont moins importants que ceux dans le cas où VD = -400 mV. Ceci s’explique par le niveau d’injection de porteurs moins important car les SBs sont moins “transparentes” par rapport au cas VD = -400 mV.
- Les tensions de seuil sont égales à de -0,75 V pour (25, 0) et -1,25 V pour (17, 0). La tension de seuil de transistor (11, 0) est inférieure à -2 V soit égale à -2,25 V.
- Les pentes sous le seuil sont quasi inchangées par rapport au cas précédant.
Cette étude théorique montre que la présence des barrières Schottky perturbe le courant de drain passant du CNTFET. En particulier, elle décale remarquablement la tension de seuil selon le diamètre du canal de nanotube et selon VDS. Cela est conforme aux résultats présentés dans les travaux de M. Najari [114]. De plus, la pente sous-seuil est influencée par les contacts Schottky. Nous pouvons conclure que la dispersion technologique associant les contacts Schottky modifie la performance de CNTFET au niveau du rapport ION/IOFF ainsi que la consommation statique (VON∙ION). À l’heure actuelle, pour optimiser la fabrication de CNTFET, un compromis est nécessaire pour améliorer le rapport ION/IOFF et minimiser la barrière Schottky : le meilleur compromis est obtenu pour des SWNTs avec un diamètre entre 1,2 ou 1,3 nm [55].
3.4 Conclusion du chapitre
Dans ce chapitre, nous proposons une modélisation compacte des contacts Schottky dans le CNTFET entre les électrodes métalliques drain source et le canal du nanotube, plus spécifiquement, par la méthode de la barrière Schottky effective ΦeffSB. À partir du principe de cette méthode, nous avons traduit l’effet tunnel au travers d’une barrière Schottky en déclarant un coefficient de transmission binaire égale à 1 pour les énergies supérieures à un nouveau paramètre : la hauteur de la barrière effective. Cette approche a été mise en équation analytique pour calculer le courant de drain du transistor.
Ensuite, nous avons calibré théoriquement et comparativement deux paramètres pour les s-SWNTs zigzag avec un diamètre entre 0,8 et 2 nm : la longueur caractéristique de SB
λSchottky et la distance tunnel dtunnel qui caractérisent la valeur de ΦeffSB. À l’aide de la comparaison entre le courant de drain obtenu par la méthode SB effective et celui obtenu par l’approximation WKB, nous avons déduit une relation de dtunnel en fonction des paramètres physiques, la masse effective d’électron et la hauteur de SB pour une gamme de 0 à 0,7 eV. Après la calibration des paramètres, nous avons étudié la surestimation de ΦeffSB sous fortes polarisations du potentiel du canal en analysant le coefficient de transmission et, proposé une
Après la modélisation compacte, les résultats de simulation ont été comparés avec des mesures expérimentales pour des CNTFETs avec différentes configurations de contacts Schottky. Ces comparaisons montrent de bonnes cohérences et impliquent une bonne validité du modèle compact. Finalement, une étude d’impact de la dispersion technologique sur les caractéristiques électriques du CNTFET a été réalisée pour plusieurs configurations de contacts Schottky. Cette étude permet de prédire l’influence des contacts Schottky sur la performance de transistor et, aide les concepteurs de circuits intégrés à prendre en compte ces variabilités.
Cette modélisation compacte est aussi incluse dans la modèle compacte de l’OG-CNTFET dans le chapitre quatre pour étudier l’impact de la dispersion technologique dans le circuit synaptique.
Chapitre 4. Modélisation analytique
de l’OG-CNTFET et application à
une mémoire non-volatile
Modélisation analytique de
l’OG-CNTFET et application à une mémoire
non-volatile
Le fonctionnement transistor à nanotube de carbone à commande optique (OG-CNTFET pour Optically-Gated (OG-CNTFET) est basé sur celui du (OG-CNTFET. C’est un composant optoélectronique sensible à la longueur d’onde entre 300 à 600 nm. Il est particulièrement intéressant pour les concepteurs des circuits neuromorphiques pour son comportement de mémoire non-volatile [106] [128] [129] [130]. L’objectif de ce chapitre est, à partir de la structure du composant, de concevoir sa modélisation compacte en passant par l’analyse de ses différents régimes de fonctionnements.
4.1 Description générale de l’OG-CNTFET
L’OG-CNTFET est fabriqué à base d’un CNTFET avec la grille arrière de type P. Le diélectrique de grille est l’oxyde de silicium réalisé à partir de croissance thermique locale (fig. 4.1a). Cela permet d’obtenir une couche de SiO2 locale en grande qualité diélectrique. Un film mince de poly(3-octylthiophène) (P3OT) est déposé sur tout le wafer par la technique “spin-coating” avec une épaisseur d’environ 5 nm [104]. P3OT est un polymère photosensible qui est souvent utilisé dans les applications de conversion d’énergie solaire en électrique [131] [132]. Sous l’illumination, des électrons photo-générés modulent le canal de l’OG-CNTFET pour une durée de plus d’une journée (fig. 4.1b) [104]. Ce transistor peut donc être considéré à la fois comme un composant optoélectronique et à la fois comme une mémoire non-volatile.
Silicon (P++) Gate SiO2 CNT D S P3OT
Figure 4.1 – a) Représentation schématique d’un OG-CNTFET montrant l’oxyde de grille en SiO2
et la grille arrière en silicium fortement dopé P. b) Les caractéristiques ID-VG d’un OG-CNTFET sans et sous illumination en noir et bleu, respectivement [104].